（通信与信息系统专业论文）空时分组码在对流层散射通信中的应用研究.pdf

南京理工大学硕士学位论文 摘要 摘要 对流层散射传播现象在2 0 世纪3 0 年代被发现，作为一种通信手段付诸使用在国 内外已有三十多年的历史。基于对流层散射通信在现有通信手段中的地位和其自身的 应用价值，本文选取了对流层散射通信这一研究背景，结合现今无线通信领域先进的 空时处理技术，将空时编码思想应用到对流层散射通信中来，旨在利用空时分组码来 改善对流层散射通信的性能。由于空时分组码最初被提出时只考虑了在理想的平坦信 道下的应用，因而要将其应用到信道条件相对恶劣的对流层散射信道中。还必须考虑 一系列实际的问题，本文就致力于研究和解决这些问题。 本文的主要研究工作和成果包括：在存在严重i s l 干扰的散射信道下，借助o f d m 和s c f d e 这两种先进的传输技术，研究空时分组码的改进方案，本文总结归纳出 了四种编译码方案，并通过比较得到了s t - s c - f d e 方案在对流层散射信道中具有最 好的性能这一关键结论，也成为后续研究的基础；在接收端未知信道信息的情况下， 研究译码处理的实现，设计了训练序列的结构，推证了最优训练序列的选取，完善了 先合并后均衡译码方案在信道估计方面的设计，同时还提出了无需信道信息的自适应 检测方案，并对二者在性能和计算量上做了比较，自适应检测法相对具有更好的性能， 但却是以较高的复杂度为代价；本文还考虑了多用户应用的可能，分上下行链路讨论 了多用户应用的实现方法，从而构建了完整的多用户应用模型。 键词：空时分组码，对流层散射通信，频率选择性信道，信道估计，自 适应检测，多用户检测 南京理工大学硕士学位论文摘要 a b s t r a e t t r o p o s e a t t e rp h e n o m e n o nw a sf o u n di nt h el t l i l l i e so ft h et w e n t i e t hc e n t u r y , i th a sb e e n u s e d 船ac o m m u n i c a t i o nt e e l a n i q u ea r o u n dt h ew o r l df o rt h i r t yy e a r su pt ot h ep r e s e n t s i n c et h e t r o p o s p h e r ec o m m u n i c a t i o nh a ss p e c i a la p p l i c a t i o nv a l u ea n dp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei nt o d a y sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na r e a , w ec h o o s 瞎t h et r o p o s p h e r ew i r e l e s sc h a n n e l a st h er e s e a r e l ab a c k g r o u n di nt h i st h e s i s b yi n t r o d u c i n gs p a c et i m eb l o c kc o d e w ei n t e n t t oi n 】p r o v et h ec o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c eo fl r o p o s p l a c r ec o m m u n i c a t i o n s p a c e - t i m e b l o c kc o d ew a sf i r s tp r o p o s e du n d e rf l a tf a d i n gc h a n n e l s ，t h u st h ea p p l i c a t i o no fs t b ci n t r o p o s p h e r ec h a n n e l sm u s tt a k es o m ep r a c t i c a lp r o b l e m si n t oc o n s i d e r a t i o ns i n c et h e t r a n s m i tc o n d i t i o ni nl x o p o s p h e r ec h a n n e l si sm u c hw o l r t h i st h e s i si si n t e n t st od e a l w i t ht h o s ep r o b l e m s t h em a i nr e s e a r c hw o r ko ft h i st h e s i si n c l u d e s ：u n d e rt h et r o p o s p h e r ec h a n n e l s h a v i n gs e r i o u si s i ，s o m en e ws p et i m ec o d i n gs c h e m e sa r ；es t u d i e db yu t i l i z i n go f d m a a ds c - f d e b yc o m p a r i n gt h ef o u rk i n d so fc o d i n gs e l a e m e sp r o p o s e di nt h i st h e s i s o n e k e yc o n c l u s i o ni so b t a i n e dt h a tt h e $ t - s c - f d es c h e m eh a st h eb e s tp e r f o r m a n c ei n t r o p o s p h e r ee l a a n n e l s t h er e s e a r e hw o r ko fo t h e re h a l t e r si sa l lb a s eo nt h i sc o n c l u s i o n t h e nw en l a k es o n l t oe f f o r t s0 1 3 t h ed e c o d i n gs c h e m ew h e nt h er e c e i v e rd o e s n th a v et h e c h a n n e li n f o r m a t i o n , w h i o hi n c l u d et h es l z u c t u r ea n dt h eo p t i m a ls e l e c t i o no ft r a i n i n g s e q u e n c e a n da l lo ft h e s ea r eu n d e rt h ep r e - e o m b i n a t i o na n ds u b - e q u a l i z a t i o nd e c o d i n g f r a m e w o r kb a s e do ne h a r m e te s t i m a t i o n a tt h es a 蛳t i m e an e wa d a p t i v ed e c o d i n g s c h e m ew i t h o u te h a t m e li n f o r m a t i o ni sp r o p o s e d c o m p a r e d 谢也t h ef i r s td e c o d i n g s c h e m e t h ea d a p t i v ed e e o d i n gs c h e m eh a sam u c hb e t t e rp e r f o r m a n c ea tt h ee x p e n s eo f l a r g ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y f i n a l l y , t h ea p p l i c a t i o no f $ t - s c - f d ei nm u l t i - u s e r c i r c u m s t a n c ei sp r o p o s e d , a t t e rd i s c u s s e dt h ei m p l e m e n t a t i o no fu p l i n ka n dd o w n l i n k r e s p e c t i v e l y , t l a ee n t i r em u l t i - u s e ra p p l i c a t i o nm o d e lh a sb e e nc o n s 1 u c t t 吐 k e y w o r d s ：s t b c ，t r o p o s p h e r ec o m m u n i c a t i o n ，f r e q u e n c y s e l e c t i v e c h a n n e l s ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，a d a p t i v ed e t e c t i o n ，m u l t i u s e rd e t e c t i o n i j 南京理工大学硕士学位论文 英文绾略语 c d m a c p f d m a f f t i b i f t i s i l m s n 理m o m l 【m s e m r c o f d m n 心r q - o s t b c r l s s c - f d e s f o f d m s f s c f d e s i s o s n r s t b c s o f d m s s c - f r e s t r c t d m a t c m v b l a s t z f 英文缩略语 c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s码分多址 c y c l i cp r e f i x e d循环前缀 f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s 频分多址 f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n快速傅立叶变换 i n t e r b l o c ki m e r f e r e n o e块间干扰 i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n逆快速傅立时交换 i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e 。 符号间干扰 l e a s tm e a ns q u a r e s最小均方误差 m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t 多输入多输出 m a x i m u ml i k e l i h o o d最大似然 i - j j n i n l mm e a n - s q u a r ee r r o r最小均方误差 m a x i m u mr a t i oc o m b i n i n g最大比合并 o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g正交频分复用 p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o峰均比 q u a s i - o r t h o g o n a ls p a c e t u n eb l o c kc o d e准正交空时分组码 r u r s i v el e a s ts q u a r e s递推最小二乘 s i g n a l - c a r r i e rf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n单载波频域均衡 s p a c ef r e q u e n c yo r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 空频正交频分复用 s p a c ef r e q u e n c ys i g n a lc a r t i e rf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n 空频单载波频域均衡 s i n g l e - i n p u ts i n g l e - o u t p u t单输入单输出 s i g n a lt on o i s er a t i o 信噪比 s p a c e - t u n eb l o c k c o d e 空时分组码 s p a c et i m eo r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 空时正交频分复用 s p a c e i m l es i g n a lc a r r i c rf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n 空时单载波频域均衡 s p a c e - t u n et r e l l i sc o d e 空时网格码 t t m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s时分复用 t r e l l i sc o d e c lm o d u l a t i o n网格编码调制 v e r t i c a lb e l l1 五b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e - t i m e垂直贝尔实验室分层码 z e r o - f o r c i n g 迫零 i l l 禽京理工大学硕士学位论文符号说明 x x ( ) ( ) t ( ) x l x 【1 ) x ( i ，力 j ( ，) i n 0 n l ，( ) 打 占 m g r a i n ( f ( x ) ) d i a g x ax 2 h q ) 符号说明 标量膏 向量i 矩阵x 复共轭 转置 共轭转置 矩阵x 的逆 向量x 的第f 个元素 矩阵x 的第i 行第i 列个元素 冲击函数 n 阶单位矩阵 n 阶零矩阵 矢量的欧几里德范数，矩阵的范数 事件的概率 矩阵的迹 均值 在x 的自定义范围内，求使( x ) 最小化的x 主对角元素分别为五，而，h 的n 维对角阵 q 函数，定义为q ( = ( 1 2 ，r ) c a p 。7 2 d f i v 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：圣量2 0 0 7 年6 月1 2 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 2 0 0 7 年6 月1 2 日 甫京理工大学硕士学位论文 空时分组码在对流层散射通信中的应用研究 1 绪论 l 1 研究背景 自古以来，信息就如同物质和能量一样，是人类赖以生存和发展的基础资源之一。 人类通信的历史可以追溯到远古时代，文字、信标、烽火及驿站等作为主要的通信方 式，曾经延续了几千年。通信的水平只有满足社会发展的需要，才能为社会的进步带 来强大的推动力，发达的通信是信息时代的重要标志，也是实现信息化的基础。 通信的目的是信息的传输与交换，任何信息传输都离不开各种媒质组成的信道， 信道作为通信系统必不可少的组成部分，在很大程度上决定了通信系统收发端的复杂 度和通信质量。按传播媒介的不同，信道可分为有线信道和无线信道两大类。有线信 道通常对信号传输的影响是变化极其缓慢且可预测的，如双绞线，同轴电缆及光缆等； 无线信道一般则是随机和不易分析的，如短波电离层反射、对流层散射信道以及移动 散射信道等，在这类无线信道中，电波传播特性非常复杂，电波的多径传播不仅给信 号带来了幅度和相位上的随机变化，也带来了频率弥散。 随着时代的进步，人们希望做到的是，任何入能够在任何时间、任何地点、与任 何用户以任何形式方便的进行通信。传统的有线通信由于其固有的局限性不能满足通 信发展的潮流，而无线通信无疑成为实现这一目标的关键。由于无线通信存在天气因 素及多径传播带来的不确定性，与有线通信技术相比，无线通信技术必须有新的发展 才能应对这一恶劣的传输环境。在无线通信巨大市场需求的激发下，无线通信领域的 新理论和新技术不断涌现，无线通信以前所未有的速度向前发展。 本章将简要分述无线通信、对流层散射通信和空时编码的发展，以引出本文的研 究背景和意义，然后介绍本文研究的主要内容和所作工作。 1 1 1 无线通信的发展 世界上第一个数字无线电系统是g 吗克尼在1 8 9 7 年使用奠尔斯码从船上与岸边 通信的无线电通信系统，然而他的这一无线电系统严重受限于收发信号所需的功率， 应用受到很大限制。此后另一个具有里程碑意义的发展是，1 9 3 3 年e h a r m s t r o n g 发 明了频率调制( f m ) 系统，这是第一个意在克服含噪、恶劣无线信道的信号处理方 法，这一时期许多无线电装置，如军用雷达等也随之产生。然而，直到蜂窝移动通信 的出现，才使无线通信得到了飞速的阶跃式发展。 第一代模拟蜂窝移动通信系统于1 9 8 1 年建立了以f d m a 技术为基础的模拟移动 t 南京理工大学颈士学位论文空时分组码在对流层散射通信中的应用研究 通信系统，使入们无线通话的梦想成真；第二代移动通信系统( 2 0 ) 是以t d m a 和 c d m a 技术为基础传送语音和数据为主的数字通信系统，如典型的g s m 系统。2 g 除 提供语音通信服务之外，也可提供低速数据服务和短消息服务。第三代移动通信系统 ( 3 g ) 能够将语音通信和多媒体通信相结合，其关键技术包括码分多址、功率控制等 技术。3 g 意味着全球适用的标准、新型业务、更大的覆盖面以及更多的频谱资源，以 支持更多用户。在第三代移动通信步入成熟化和商用化的同时，第四代移动通信的研 究也逐步深入，虽然目前对第四代移动通信的具体特征与结构的研究还不成熟，但无 疑，第四代移动通信的发展方向是在提高通信可靠性的基础上，为人们提供更高的通 信容量和更快的通信速率的宽带通信系统。 在未来的宽带无线通信系统中，存在两个最严峻的挑战：带宽效率和多径衰落现 象。宽带高速数据通信服务需求的增长，使得有限的可用无线频谱资源成为传统通信 技术的发展瓶颈，而多入多出( m i m o ) 系统地提出，成为解决通信容量和通信速率 瓶颈的新突破口。m 玎v i o 技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益，空 间复用技术可以大大提高信道容量，而空间分集则可以提高信道的可靠性，降低信道 误码率。m n “o 技术的关键是能够将传统通信系统中存在的多径影响因素交成对用户 通信性能有利的增强因素，因而可在不增加带宽和天线发送功率的情况下，成倍地提 高业务传输速率【l 】。m i m o 技术作为近年来无线通信领域中的一项重大突破，被认为 是第四代无线通信的关键技术之一，得到人们越来越多的关注。 随着m i m o 系统的发展，为了解决分集增益和发射速率这一对矛盾，空时编码技 术应运而生。朗讯实验室的f o r c h i n i 和g a r l s ，a 1 & t 的t a r o k h 及其同事们在这方面作 了关键性工作，率先提出了空时编码的概念。因为空时编码同时利用时间和空间两维 信号处理来构造码字，将发射信号在空域和时域引入联合相关，从而能有效抵消衰落， 提高功率效率，是抗信道衰落和提高系统容量的一种新的编码技术【2 1 。 然而，宽带无线通信由于信号的数据率高，所以每个符号的传输时间变短，对于 同样的信道环境，当符号宽度小于最大多径时延时，将会形成严重的符号间干扰 ( i s i ) ，影响通信质量。目前解决宽带无线通信符号问干扰的办法有两种。一种是利 用将高比特率转化成低符号率传输的正交频分复用( o f d m ) 系统p 】，它通过将频率 选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道的方法，减小了多径衰落的影响；另一 种方法则需用到频域均衡技术，其原理基于i s i 是由信道的线性失真引起的，因此采 用线性补偿的办法校正失真、消除i s i 。单载波频域均衡( s c m e ) 就是一种在频域 实现均衡的单载波传输方案【4 l 。频域均衡( f d e ) 先通过快速傅立叶( f f t ) 变换转 换到频域，然后根据信道估计的结果采用频域逆滤波器来补偿频域的线性失真，最后 再通过逆傅立叶变换( 腰f t ) 转换到时域下进行判决。因而，应用于删。系统的 空时编码与o f d m 以及s c f d e 这两种能有效消除i s i 的传输模式相结合，必能有效 2 南京理工大学硕士学位论文空时分组码在对流层散射通信中的应用研究 提高通信系统的数据速率和分集增益。作为宽带无线通信中的具体应用，空时编码已 被w c d m a 【s j ，i e e e8 0 2 1 6 【6 1 等多项移动通信标准所采纳。 1 1 2 对流层散射通信及其发展方向 地球大气层的最低层为对流层，它是无线电波传播的一种随机不均匀介质，其中 分布着大量的不均匀体或称散射体，表现为大量的大大小小、形状各异并且或快或慢 地运动交化的空气旋涡、云团边际和某种渐变层结等，它们在温度、湿度和压强上与 周围空气不同，从而在折射指数上与周围空气也有差异。因而，无线电波通过这种不 均匀介质时，除沿途遭受折射外，还被不均匀体再次辐射。这种对流层不均匀体对无 线电波的再辐射，郎所谓的对流层散射，对流层散射通信就是利用对流层散射信道进 行的通信。 对流层散射传播现象在2 0 世纪3 0 年代被发现，作为一种通信手段付诸使用在国 外已有三十多年的历史。对流层散射通信的发展大体分四个阶段i _ 玎上世纪六十年代 中期以前。在此期间对散射传播机理进行了大量研究，并研制出模拟散射设备，建立 了大量的模拟散射通信线路。七十年代到七十年代中期，数字对流层散射通信技术发 展较快。主要研究适合于散射信道传输的调制解调技术、编解码技术、分集合并技术、 失真自适应技术及装车技术，并在高可靠性、实用性上取得了明显进行展。七十年代 后期至八十年代初期美、英、法、苏等国相继研制出一些数字对流层散射通信设备， 并建立了许多模拟和数字散射通信线路，对流层散射通信的研究日趋成熟。虽然在蜂 窝移动通信出现之后，对流层散射通信的发展势头受到了一定的冲击，尽管如此，对 流层散射通信仍具有其独特的应用价值和研究意义。 在实用上，对流层散射通信有一系列突出优点。首先，单跳跨距大，一般微波视 距通信单跳距离仅为5 0 公里左右，而对流层散射通信却高达6 0 0 公里，这意味着所 需的中继站大大减少。其二，保密性好，正是由于单跳跨距大、定向性好，因而不易 被窃听；其三，它不怕太阳黑子、磁暴、极光和雷电等影响，尤其不受核爆炸影响， 只要这种爆炸不伤及对流层散射站本身，传播基本上不受影响，系统的传播可靠度一 般很高，广泛应用于军事通信。对流层散射通信在多平台综合电子战系统、电子自动 化指挥系统、国土防空通信系统、火控系统、陆、海、空c 3 i 系统、炮兵机动指挥系 统、快速反应部队、应急通信等军事领域有广泛的应用前景。国外一些军事家断言， 在现代战争情况下，作为战略通信网和战术通信网中的主要传输手段，对流层散射通 信具有建站快、抗毁性强、机动性好、适应复杂地形能力强等特有特点，是其它通信 手段无法取代的。 此外，在民用通信领域，散射通信可用于电力管理、石油、采矿、水利等各种工 3 南京理工大学硕士学位论文空时分组码在对流层散射通信中的应用研究 业部门作为指挥、调度等，也可用于森林防火、抢险救灾、应急通信系统，发挥着重 要的作用。目前，对流层散射通信已成为美国全球战略通信网的重要组成部分，主要 用于跨越极区、海峡、湖泊、高山、沙漠等特殊地形进行通信。我国也已有十几条散 射通信链路投入使用，创造了可观的经济效益和社会效益，充分显示出散射通信的经 跻性、实用性、有效性和可靠性。 对流层散射系统常用频段为1 0 0 m h p l 0 g k 。对流层散射实用距离( 单跳) 一般 为3 0 0 1 a n 左右，最远的已超过1 0 0 0 k m ，传播可靠度可达到9 9 9 - 9 9 9 9 。 尽管对流层散射通信有着很高的可靠性，但其现有技术所能实现的传输带宽仍 然有限，这是因为电波同样受地理环境和天气情况等影响，散射传播信号的重要特征 是存在严重的衰落现象，包括慢衰落和快衰落两种。慢衰落主要是由气象条件的变化 引起，可以通过调整发射机的发射功率和接收端的自动增益控制来克服；快衰落则主 要是由于大气中的湍流，锐变层以及大气波导等引起的多径传播。由于多径传播现象 的存在，使得合成后接收信号的幅度和相位会产生很大的变化，引起畸变或深衰落， 严重影响信号传播的可靠性，同时也制约着传输速率的提升。对流层散射信道的这种 多径传播现象是限制对流层散射通信水平提升的一个主要因素。 为了对抗传播中的衰落现象，增加信号在对流层散射信道中传输的可靠性，对 流层散射通信同样引入了分集的思想。在空间分集、频率分集、角度分集、时间分集 等众多分集方案中，空间分集能有效对抗瑞利衰落，而且抗地面和水面反射引起的衰 落特别有效，因而已被作为一种成熟的分集技术，在对流层散射通信中得到了广泛的 应用。在现有的对流层散射通信技术中，对抗衰落现象的方法通常只是采用纠错编码 和空间分集的简单结合嘲。而基于空间分集原理所产生的新的编码方式空时编 码，它能同时在空间和时间域引入联合相关性，因而我们很自然想到，如果把空时编 码应用到对流层散射通信中，必将在保证通信质量的基础上，提高信息传输速率。此 外，利用空时编码的特性还可将其方便的扩展到多用户的应用环境中，这对于提高发 射台的使用效率，减少发射台设备成本是很有意义的。 同时，空时编码的具体应用仍需要考虑一系列实际的问题。包括：在频率选择性 信道下，如何改进编码方案以确保空时分组码的正交性不受i s i 影响，从而达到提高 通信性能的目的；在接收端如何对接收信息进行有效的译码检测；以及在多用户环境 下如何消除多用户干扰以确保每个用户正确接收各自信息等问题。这些将作为本文的 研究内容做重点研究。 l 1 3 空时编码 1 9 9 6 年，g j f o s c h i n i 提出在无线通信中用多元天线构造分层空时结构【9 】。随后， 4 南京理工大学硕士学位论文 空时分组码在对流层散射通信中的应用研究 m a m o 嘶提出了一种能为两根发送天线提供发射分集增益的编码方案【j o l ，即a l a m o 砸 码，它是编码发展史上，第一个能为2 发射天线提供完全发射分集增益的空时分组码。 在此启发下，v a h i dt 如她于1 9 9 8 年首先提出空时码的概念f l l 】：空时编码是一种特 殊的、专用于m i m o 系统的信道编码，与传统的一维信道编码不同，空时编码在包 含空间维在内的多维空闯内对信息比特进行编码。其目的在于通过编码，尽可能的开 发出m i m o 系统相对于单天线系统的性能增益。m i m o 的性能增益包括两部分，即 分集增益和容量增益。近年来，针对不同的信道环境、m i m o 天线配置，人们通过在 编码性能、传输速率以及检测复杂度之间进行权衡，设计出了许多不同的空时编码。 其中最具有代表性的有：追求分集增益最大化的空时格码【l ( s p a c e n m et r e l l i sc o d e ， s t r c ) 、空时分组码，追求数据速率最大化的垂直贝尔实验室分层空时码【1 3 】( v e r t i c a l b e ul a b o r a t o r i e sl a y e f e ds p a - 1 缸e v - b l a s t ) ，以及综合考虑分集增益与数据速率 最大化的分组s t b c 【州( g f o u p - w i s es t b c ，g - s t b c ) 等。下面将简单扼要的介绍三种 具有代表性的空时编码方案的编码思想及其各自的优缺点，而将重点放在后面对空时 分组码的研究上。 1 空时分层码 空时分层码是最早提出的一种空时编码方案，也是目前已知的唯一一种可以使频 带利用率随着发射天线数目的增加而线性增加的编码方式。根据信源信息与发送天线 之间的映射关系，可以将空时分层码分为水平、垂直和对角三种。由于各子信道因多 径衰落而产生了不同的衰落特性，接收端则利用上述特性来提取信息。空时分层码在 解码时只利用了信道信息，所以其性能在很大程度上依赖于信道的衰落环境和对信道 衰落特性估计的准确度，只有当各予信道所受的衰落差异较大时，才能较好地恢复发 送信息。与其他空时编码方式相比，虽然空时分层码有较高的频带利用率，但却无法 达到最大分集增益，因而性能相对较差，也既是说空时分层码以部分分集增益为代价 换取高频带利用率。此外，空时分层码要求接收天线数至少要等于发送天线数，因而 受到移动终端灵活性的制约。 2 空时网格码 空时网格码是继空时分层码之后被提出的另一种空时编码技术，它是在延时分集 基础上结合t c m 编码提出的，实际上是对传输分集方式的改进。s t t c 把编码和调 制结合起来，综合考虑了编码增益和分集增益的影响，是一种最佳码。与其它编码方 案相比，s t t c 的一个显著特点是它在各种信道环境下均有较好的性能，它以部分频 带利用率为代价换取最大分集增益。s t t c 的频带利用率不随天线数目增长是限制其 应用的一个因素，然而关键因素还在于s t t c 译码的复杂度随着分集增益和频带利用 率呈指数增长，即使对于较小的分集增益和频带利用率，相应的译码复杂度也会很大。 3 空时分组码 南京理工大学硕士学位论文空时分组码在对流层散射透信中的应用研究 s t b c 是在a l a m o u t i 提出的应用于两发射天线的传输分集方案的基础上根据广 义正交设计原理提出的。当s t b c 满足正交性要求对，不仅保证能够达到最大的分集 增益，而且还能够大大降低译码复杂度，因而s t b c 已被多项通信协议采纳。但同时， s t b c 的正交关系也带来了两个新的问题，一是s t b c 只能提供分集增益而损失了编 码增益；二是完全正交的s t b c 只有两根发射天线时才能以满速率发射，频带利用率 才能达到i b i t s h z ，而当天线数大于两根时，对于复数信号，其频带利用率下降，最 大只能达到3 4b i t s h z 。s t b c 实际上以编码增益和部分频带利用率为代价换取了最 大分集增益和较低的编译码复杂度，因而是三者间的折衷方案。基于s t b c 具有发送 端无需信道信息、译码相对简单、能实现满分集增益且没有带宽扩展等优点，本文主 要以s t b c 码作为研究对象。 1 2 研究内容 自空时编码的思想提出后，s t b c 因其一系列优点而得到了广泛的应用。虽然 s t b c 在提出时只考虑了单径瑞利信道，并没有考虑多径传播效应，然而，它的重要 意义在于向我们揭示了一条颏的思路，那就是通过在发射端构造正交的发射矩阵。可 使信道矩阵也具有特殊的正交性。信道这种特殊的正交性是通过在接收端对接收信号 进行简单的线性处理实现的，我们可以理解为：通过线性变换，正交的发射矩阵把这 种特殊的正交性传递给了信道矩阵。信道的这种特殊正交性使得系统的译码变得简 单，只需要对接收信号进行简单的线性处理就能实现最大比合并，从而得到分集增益。 且由分集合并理论可知，最大比合并方法因能使信号合并后的信噪比最大而具有最优 胜的性能。这就是s t b c 能很好的平衡通信性能与系统复杂度两者间矛盾的原因。 随着信息传输速率的提高。系统的传输带宽随之增加，这使得每个发送符号的 持续时间与信道最大延迟之间的差异加大，因而将带来比窄带系统更为严重的i s i 。 要消除i s i ，可以采用先进的传输方案如o f d m 和s c - f d e ，这两种传输方案本身有 着很多相似之处，它们都要求发射数据以块为单位进行分组传输，并要求在每个数据 块前添加循环前缀，一方面来消除块间干扰( m i ) ，另一方面带来信道的循环卷积特 性【1 5 1 。利用信道的循环卷积特性，o f d m 和s c - f d e 这两种传输方案都可通过时频 变换，在频域下把频率选择性信道等效为多个并行的平坦信道，通过简单的频域均衡 就可消除了每个数据块内的i s i 。它们的区剔在于前者信号的判决是在频域下进行的， 而后者则需经过逆傅立叶变换转换到时域下再进行判决。在系统的结构上看就是进行 逆傅立叶变换的位置不同，前者通过逆傅立叶变化将发射信号加载到多个正交予载波 上并行传输：后者所有信号在单载波上传输，而在接收端变换到频域下进行信道的等 效，并通过逆傅立叶变换转换到时域下进行判决。这里要指出的是，虽然这两种传输 6 南京理工大学硕士学位论文空时分组码在对流层散射通信中的应用研究 方式都是在频域下把信道等效为多个平坦的予信道，但对于s c f d e 而言，这一过程 中的频域信号并不是完全独立韵，这也是在s c - f d e 中，信号的判决还需转换到时域 下进行的原因。 s t b c 与o f d m 、s c - f d e 这两种传输方案相结合，根据发射信号正交性所在的 域又可划分为两种，一种是在时域上构造正交发射矩阵【1 6 1 1 7 1 ，另一种则在频域上构 造正交发射矩阵f 1 柳【1 9 】。前者在多根天线连续发射的几个数据块内构造正交特性，并 在译码时假定在这几个数据块的时长内信道信息固定不变，因而更适合对抗慢衰落， 而对快衰落则显得力不从心；后者则是在频域下，在一个数据块内，通过在不同的等 效子载波上构造正交发射信号，这种编码方法在译码时假设两个相邻的等效子信道具 有相同增益，因而理论上能有效的对抗快衰落。本文将研究比较o f d m 和s c f d e 这两种传输的性能，归纳在此基础上演变出的空时分组码的编译方案。 接收端的信号检测需要得知信道信息，因而实际的应用系统必须考虑信道信息 的获取。现有获取信道信息的方法大致有：基于训练序列的估计【2 0 】【2 1 】嘲、盲估计】 以及结合基于训练序列的估计和盲估计这两者的半盲估计例。后两种方法通常需利用 调制信号本身固有的、与具体承载信息比特无关的一些特征，相对于基于训练序列的 方法而言其系统复杂度较高，本文将主要研究基于训练序列的信道估计方法，包括训 练序列的选择和结构设计。对单入单出系统而言，基于训练序列的信道估计在设计训 练序列时不需要考虑m i m o 中所存在的多天线的相互干扰，训练序列的设计相对容 易。对于m i m o 系统而言，各个发射天线训练序列的设计必须满足一定的正交性， 才能消除多天线间的相互干扰，针对本文研究背景及信道特征，将利用s t b c 的正交 特性设计训练序列来估计信道信息。虽然基于训练序列的信道估计法会因需插入训练 序列而给系统带来额外的负担，但它最大的优点就是容易实现，因而成为无线信道中 信道估计实现的主要方法。 同时，在本文中自适应检测的思想作为另一种解决方案也被提出。自适应思想 期望利用前一时刻所获得的信息来自动调节接收滤波器的参数，使检测滤波器的参数 按照某种准则达到最佳状态瞄1 。文中将利用r l s 自适应算法，设计集均衡和解码于 一体的自适应检测滤波器。 此外，本文将考虑多用户的应用情况。虽然在传统的对流层散射通信中，多用户 的应用并不多见，但随着区域通信概念的提出和不断发展，我们有理由相信，对流层 散射通信凭借其可靠性在军事通信中所占据的重要地位，其多用户应用将具有很大的 潜力。多用户应用中多用户检测起着至关重要的作用，其概念来源于蜂窝通信联合 考虑同时占用某个信道的所有用户或某些用户，利用每个用户发射信号的特征来对接 收信号进奄亍解偶，把其他用户的干扰信息从中分离出来，还原出每个用户各自的信息。 这种特征可以是不同的频率、不同的时隙，也可以是不同码址。在对流层散射通信中， 南京理工大学硕士学位论文空时分组码在对流层散射通信中的应用研究 很容易想到区分不同用户的方法是通过不同的发送频率实现，但如果我们实现了在同 一发射频率下，借助编码方式来区分不同用户信息，则能减少系统中频率振荡器的使 用，同时也节省了带宽。在本文中分别讨论上行和下行多用户通信中的编码发送方案， 并在此基础上提出一种双模式通信模型【2 6 】1 2 7 】网例，解决了上下行通信中存在的多用 户干扰问题，确保多用户通信的可行性。 1 3 章节内容安捧 本文主要研究空时分组码在对流层散射通信这一应用背景下需要解决的一些实 际问题，章节内容安排如下。 论文第二章介绍对流层散射信道的传播特征，建立了信道模型；随后阐述性的 介绍m i m o 系统和分集合并的基础理论，并回顾了平坦信道下空时分组码的编译原 理，为第三章的深入研究奠定基础。 第三章重点研究频率选择性信道下空时分组码的编译方案。本章首先介绍了加 循环前缀的分组传输思想，这是o f d m 和s c f d e 这两种能有效消除i s i 的传输技术 所共具的核心原理；随后深入研究空时分组码与这两种传输技术的结合，归纳出四种 不同的编译方案：最后讨论了这四种编码方案的异同，并进一步通过仿真性能对其进 行了比较。综合比较，s t - s c f d e 方案在所选用的信道环境下具有明显的优越性，将 作为本文后续研究展开的基础作进一步研究。 第四章主要研究s t - s c f d e 方案接收端未知信道信息的检测方法。首先研究了 利用空时分组码自身正交性设计的基于训练序列的信道估计法，讨论了最优训练序列 的选则；随后作为比较，提出了自适应检测方法，避开信道信息的求解，利用一定的 自适应算法设计检测滤波器直接对接收信息进行检测和判决：最后在复杂度和性能方 面对两种接收方案进行了比较。 第五章重点研究多用户环境下空时分组码的应用，首先讨论了上行链路发射端 使用s t - s c - f d e 时基站的两种多用户检测方法；随后在下行链路中提出了以结合直 接扩频技术的s t - s c - f d e 来实现多用户应用的方法，从而构造出上下行多用户通信 的模式，这对于提高通信设备的利用率，扩大对流层散射通信的应用范围都有着相当 重要的意义。 最后一章对本文所作的研究做了概括性的总结，并以自己的理解分析探讨了本 文研究中的不足和今后的研究方向。在此应该指出的是，文中虽然选用了对流层散射 信道作为研究背景，本文中研究的具体方法同样适用于其他具有相似特征的无线移动 信道。 8 南京理工大学硕士学位论文 空时分组码在对流层散射通信中的应用研究 2 理论基础 2 1 对流层散射信道 散射信道是一种典型的随机时变信道，散射信号很不稳定，无论是时间域、频率 域和空问域都存在着选择性衰落现象。散射传播机理概括起来主要有三种理论，即湍 流非相干反射理论、不规则的非相干反射理论和稳定层的相干反射理论。图2 1 绘出 了相应的散射过程示意图。散射信号的重要特征是存在着严重的衰落现象，通常按衰 落的周期长短分成快衰落和慢衰落1 3 0 。它们产生的原因不同，所以服从的统计规律也 不同，以下分别具体讨论。 公瑟厶 tr trt r ( a ) 湍流结构不相干反射( b ) 稳定层的相干反射( c ) 锐变层的不相干反射 图2 1 三种散射过程示意图 2 1 1 慢衰落 慢衰落是指接收信号电平中值在较长时间间隔内的起伏变化，它主要是由气象条 件的变化而引起的，如大气的温度、压力和湿度变化等。因为在一个较大的区域内， 大气折射指数的交坏和恢复并不是在极短时间内发生的，而是需要一个变化过程，因 此形成了慢衰落现象。 描述侵衰落特性的参数主要有： 1 中值：指5 0 时问被接收信号电平超过的电平值。但中值不能反映衰落的严重程 度。 2 衰落深度：指实际接收的电平值与自由空间传播电平值之差，用以表明信号起伏 的幅度，以及衰落的严重程度。 3 衰落频率：指每秒衰落的次数，用以表征衰落的频繁程度，即信号起伏的快慢。 4 衰落持续时间：指场强低于某一电平的持续时间。当接收信号电平低于某一门限 电平时，通信就要中断。 9 南京理工大学硕士学位论文空时分组码在对流层散射通信中的应用研究 慢衰落通常以接收信号的小时中值作为统计单元，从统计结果看，慢衰落的统计 特性服从对数正态分布，即信号场强或功率的对数服从正态分布，也就是场强与功率 的分贝数服从正态分布。作为对数正态分布的慢衰落特性，其概率密度p ( e ) 及相应 的信号电平超过某一最小值e 二的概率密度分布函数p ( e 点o ) 分剐如下式所示： ，鲤丝 p ( d = 去= p 矿 ( 2 1 ) ，( e ) = 去t e 甓( 培d 仃v z 茚4 式中a - - l g 点孟为中值的分贝数，点0 是年或季中值，根据统计的整个时间而定。对 侵衰落现象的实测结果表明，大多数的慢衰落特性服从于对数正态分布，但其标准偏 差值因环境的不同而不同。当频率相同时，距离越短，标准偏差就越大，短期信号电 平中值偏离长期信号电平中值也越大，慢衰落就越深。为了克服信号的慢衰落，在设 计散射通信时，需要留出足够的衰落余额，即适当提高发射机